Selbstheilende Beschichtungssysteme ‑ ein Überblick

SCHIFFBAU & SCHIFFSTECHNIK | OBERFLÄCHENTECHNIK Selbstheilende Beschichtungs- systeme – ein Überblick KORROSIONSSCHUTZ Auf Aktivpigmenten basierende so genannte „selbstheilende“ Beschich- tungssysteme bieten neue Ansatzmöglichkeiten für eine Verbesserung des Korrosionsschutzes Jörg A. Vogelsang D ie Korrosionskosten in entwi- Zeit wegen ihrer Giftigkeit und Umwelt- folgreichen Ersatzlösungen für Chrom-VI- ckelten Nationen erreichen allge- gefährdung verbotenen Pigmente aus Vorbehandlungen in OEM-Anwendungen meinen Schätzungen zufolge ca. Bleimennige und Zinkchromat. Zu deren der Automobil- und Flugzeugindustrie. sechs Prozent des Bruttosozialproduktes umweltfreundlicherem Ersatz wurden Der klassische „schwere“ Korrosionsschutz und verteilen sich in etwa zu gleichen zahlreiche neuere Aktivpigmente entwi- ist meist nur ein untergeordnetes Ziel für Teilen auf direkte und indirekte Kosten. ckelt. Verbesserungen, da die hier erzielbaren Beschichten stellt mit 90 Prozent der Kor- Nachdem einige Jahre recht wenige grund- Deckungsbeiträge den Einsatz von teuren rosionsschutzkosten die hauptsächliche legende wissenschaftliche Arbeiten zum Rohstoffen noch nicht rechtfertigen. Schutzmaßnahme dar. Thema aktiv wirksamer Korrosionsschutz- Ältere und neue Aktivpigmente greifen, Leider muss akzeptiert werden, dass kein pigmente erschienen sind, finden gegen- wie es der Ausdruck nahe legt, aktiv in den ewig lang wirksamer Korrosionsschutz von wärtig mehrere Projekte statt, die sich mit Korrosionsvorgang ein. Sie bilden entwe- thermodynamisch nicht stabilen, nied- der Erforschung und Entwicklung von der Schutzschichten aus, verschließen Ver- rig legierten Stählen möglich ist. Grund- Aktivpigmenten beschäftigen. Diese Pro- letzungen, fangen Korrosionsstimulatoren sätzlich ist es nur eine Frage der Zeit, bis jekte werden meist von multidisziplinären ab oder verdrängen Wasser durch die Frei- unter einer gegebenen atmosphärischen Konsortien betrieben – das wohl größte in setzung von hydrophoben Substanzen. Belastung bei Beschichtungen irreversible diesem Zusammenhang ist das gerade im Zinkstaub in Zinkstaubgrundierungen Wasseraufnahme, Blasenbildung, Delami- 7. EU-Rahmenprogramm begonnene EU- besitzt mehrere Wirkmechanismen, die je- nation, Rissbildung und schließlich Korro- Projekt mit dem Akronym MUST. doch nicht richtig mit den hier genannten sionsprodukte des Substrates sichtbar wer- Diese neuen Projekte benutzen alle den beschrieben werden können. In den fol- den. Abb. 1 zeigt das „Endstadium“ eines Begriff „selfhealing“ und die Arbeitspro- genden Abschnitten werden einige dieser Beschichtungsversagens. gramme beinhalten nanotechnologische Mechanismen näher diskutiert. Zur Verlängerung der Schutzdauer von Methoden zur Herstellung neuartiger Die Wirkzusammenhänge dieser Pigmente Beschichtungen gegen korrosive Medien Substanzen mit oft mehreren Ansatz- sind allerdings komplex und häufig bis werden seit vielen Jahrzehnten spezielle möglichkeiten und Wirkmechanismen heute nicht schlüssig aufgeklärt, obwohl Pigmente, sogenannte Aktivpigmente, in für einen gesteigerten Korrosionsschutz. ganz griffige Modellvorstellungen postu- die Grundbeschichtungsmaterialien einge- Diese Projekte suchen auch nach tech- liert sind. Ein gewisser Teil der Komple- bracht. Altbekannt sind die seit geraumer nisch verbesserten und wirtschaftlich er- xität stammt aus der Vielzahl von Korro- Abb. 1: Stahlrahmen eines Fahrrades, der im Anschluss an das finale Versagen der Beschichtung in die thermodynamisch stabilere Form des Eisens durch fortwährenden Witterungseinfluss im Tidenbereich der Ostsee umgewandelt worden ist 28 Schiff & Hafen | August 2009 | Nr. 8 Abb. 2: Pourbaix-Diagramm Abb. 3: Modellhafte Vorstellung zur Wirkungsweise eines Ionenaustauschers sionserscheinungen oder wird zumindest Die Senkung der Korrosionsgeschwindig- produkten während der Filmbildung auf von diesen stark mit beeinflusst. keit kann geschehen, indem strahlgereinigten Untergründen. Gleichfalls an der Grenzfläche Metall/Beschich- zählen die weitgehend verbannten Chro- Wirkungsweisen von Aktivpig- tung der Aufbau einer Passivschicht sti- matpigmente wegen ihrer oxidierenden menten muliert wird, Wirkung zu den Passivschichtbildnern. Eisen ist je nach Medium und Polarisati- die Reaktionsedukte Wasser und Sauer- Bei Bleimennige (chemisch das Bleisalz on entweder passiv, kathodisch geschützt stoff am Zutritt zum Stahl durch Deck- der Ortho-Bleisäure) besitzt der +IV-wer- oder starker Korrosion ausgesetzt. Die schichtbildung behindert werden, tige Anteil oxidierende Wirkung, jedoch Grundlagen hierzu lassen sich aus dem Poren verstopft werden, ist der außergewöhnlich gute Schutz des vereinfachten Pourbaix-Diagramm (Abb. der Stahl kathodisch geschützt wird. verbannten Pigmentes auf mehrere Pro- 2) gut ableiten. Gelänge es nun, den Stahl Die Eignung von Aktivpigmenten hängt in zesse zurückzuführen, die eine Deck- komplett kathodisch zu schützen, d.h. sein hohem Maße vom Bindemittel des Lacksy- schichtbildung durch Bleibindemittelsei- Potenzial auf Dauer in den Bereich von stems ab. Aktivpigmente werden fast aus- fen und das Abfangen von Chloriden und -1000 mV (bezogen auf die gesättigte Kalo- schließlich in Grundierungen eingesetzt. Sulfaten (Korrosionsstimulatoren) durch melelektrode) zu verschieben, dann wären Grob können die Aktivpigmente in fol- unlösliches Bleichlorid und Bleisulfat die meisten Probleme gelöst. Nur leider gende Klassen eingeteilt werden: umfassen. ist das wirtschaftlich und technisch nicht Passivatoren, machbar. So bleibt nur, wenn die Passivi- Deckschichtbildner, Deckschichtbildner Die Deckschichtbild- tät, wie sie z.B. bei Bewehrungsstählen in Zinkstaub, ner unterteilen sich in solche Substanzen, chloridfreiem Beton vorliegt, sich nicht Barrierepigmente, die durch Chemisorption direkt eine Art ausbilden kann, den Werkstoff Stahl durch neue Materialien. Film auf dem Substrat bilden können, und eine möglichst effiziente Beschichtung solche, die durch Ausfällen von unlöslichen vom Medium zu trennen. Einteilung der Korrosionsschutz- Verbindungen Deckschichten bilden und Folgende Ansatzpunkte sind denkbar, um pigmente Hohlräume verstopfen. Hierzu gehören den Korrosionsschutz durch Beschich- z.B. die Phosphat enthaltenden Pigmente tungen positiv zu beeinflussen: Passivatoren Zu diesen gehören Natrium- wie auch Ionenaustauscher (Abb. 3) oder kathodischer Korrosionsschutz (Zn- nitrit und andere nitrithaltige Inhibitoren, einige Metalloxidpigmente. Staub-Pigmentierung), die als „flash rust inhibitor“ bei wasserver- Filmbildner: Zu den Filmbild- Versiegelung von Poren (Mehr- dünnbaren Grundierungen angewendet nern gehören organische Moleküle, die schichtaufbauten), werden. Diese verhindern das Hochzie- entweder dem Beschichtungsstoff zu- Verstopfung der Poren (Zinkkorrosi- hen von frisch entstandenen Korrosions- gegeben wurden oder in Füllstoffe onsprodukte, unlösliche Eisensalze, Seifen), Barriereprinzip, Hydrolysis - Zn3(PO4)2 + 2H2O + 4OH- 3Zn (OH)2 + 2HPO2 4 Reaktion mit den Korrosionsstimula- toren, Haftungsverbesserung (Haftprimer, Si- Protective layer lane o.Ä.), Iron zinc phosphate complex zusätzliche Schutzschichtbildung (Deckschicht zur Substratgrenzfläche), Anhebung des pH-Wertes (zementöse H2O + O2 + 4e- 4OH- 2Fe 2Fe2+ + 4e- Beschichtung). Als aktive Korrosionsschutzpigmente be- Cathode 4e- Anode zeichnet man Lackformulierungen zuge- gebene Festkörper, die die Korrosionsge- schwindigkeit mehr als andere Pigmente/ Abb. 4: Schematische Darstellung der Wirksamkeit von Zinkphosphat. Außer der Füllstoffe verringern. Durch die schützende Bildung des Eisenzinkphosphatkomplexes wird abhängig vom Bindemittel noch eine Aktion werden diese Festkörper in ihrer Zinkseife beschrieben, die in der Lage sei, durch Ausfällung Mikrohohlräume Gestalt und chemischen Natur verändert. abzudichten.